(57)【要約】本発明は、発光素子（２５）からの光の通過と遮断とを切り換える複数のシャッタ機構（１４）と、複数のシャッタ機構（１４）からの光を透過する基板（１６）とを有するライトバルブ部（１０）と、ライトバルブ部（１０）から入射した光によってプラズモン結合を生じさせるプラズモン結合部（１１）とを備える。プラズモン結合部（１１）は、ライトバルブ部（１０）から入射する光によってキャリアが生成されるキャリア生成層（１７）と、キャリア生成層（１７）を発光素子（２５）の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層（１９）と、プラズモン励起層（１９）によって生じた光または表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して出射する波数ベクトル変換層（２３）とを有する。プラズモン励起層（１９）は、第１誘電体層（１８）と第２誘電体層（２２）との間に挟まれている。
2011142455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子からの光の通過と遮断とを切り換える複数の光学シャッタ手段と、前記複数の光学シャッタ手段からの光を透過する基板とを有するライトバルブ部と、
前記基板上に配置され、前記ライトバルブ部から入射した光によってプラズモン結合を生じさせるプラズモン結合部と、を備え、
前記プラズモン結合部は、
前記ライトバルブ部から入射する光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層の上に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層によって生じた光または表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して出射する出射層と、を有し、
前記プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている、表示素子。
【請求項２】
前記プラズモン励起層の前記出射層側、及び前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側の少なくとも一方の側に隣接して設けられた誘電体層を備える、請求項１に記載の表示素子。
【請求項３】
前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電体層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に隣接する前記誘電体層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電体層よりも誘電率が低い、請求項２に記載の表示素子。
【請求項４】
前記プラズモン結合部における前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に積層された構造全体と、前記基板とを含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と、前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表示素子。
【請求項５】
前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電体層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に隣接する前記誘電体層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電体層よりも誘電率が高い、請求項２に記載の表示素子。
【請求項６】
前記プラズモン結合部における前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に積層された構造全体と、前記基板とを含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と、前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高い、請求項１、２、５のいずれか１項に記載の表示素子。
【請求項７】
前記実効誘電率は、複素実効誘電率εeffであって、該複素実効誘電率εeffが、
前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸、前記キャリア生成層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、、虚数単位をｊとすれば、
【数１】
2011142455.tif 000013
を満たし、
かつ、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppが、
前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
【数２】
2011142455.tif 000014
【数３】
2011142455.tif 000015
を満たしている、請求項４または６に記載の表示素子。
【請求項８】
前記ライトバルブ部は、前記発光素子からの光が入射する導光体を有し、
前記導光体は、前記発光素子からの光が前記プラズモン結合部に向けて通過する透過領域を有する、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の表示素子。
【請求項９】
前記プラズモン結合部は、前記透過領域に対向して配置されている、請求項８に記載の表示素子。
【請求項１０】
前記複数の光学シャッタ手段のそれぞれは、前記発光素子からの光が通過する透過領域を開閉可能に設けられたシャッタ部材と、前記シャッタ部材を駆動する駆動機構とを有している、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の表示素子。
【請求項１１】
前記複数の光学シャッタ手段のそれぞれは、前記基板に固定された接続部と、前記発光素子からの光を前記基板に通過させる第１位置と前記発光素子からの光を遮断する第２位置とに前記接続部を移動させる一対の電極と、を有する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の表示素子。
【請求項１２】
前記ライトバルブ部は、前記基板を含む液晶板を有し、
前記複数の光学シャッタ手段のそれぞれは、前記液晶板を構成する液晶分子である、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の表示素子。
【請求項１３】
前記出射層は、フォトニック結晶からなる、請求項１ないし１２のいずれか１に記載の表示素子。
【請求項１４】
前記プラズモン励起層は、赤に対応する画素はＡｕまたはそれを主成分とする合金、緑に対応する画素はＡｕ、Ａｇのいずれかまたはそれらのいずれかを主成分とする合金、青に対応する画素はＡｇまたはそれを主成分とする合金により構成されている、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の表示素子。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の表示素子と、
少なくとも１つの発光素子と、を備える表示器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の表示器と、
前記表示器からの出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を出射するためにプラズモン結合を利用した表示素子、表示器及び投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）の発光素子が用いられる固体光源プロジェクタが提案されている。この種の固体光源プロジェクタでは、発光素子からの光が入射する照明光学系と、照明光学系からの光が入射する液晶表示板やＤＭＤ(Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ)等の表示素子を有するライトバルブと、ライトバルブからの光を投射面上に投射するための投射光学系と、を備えて構成されている。【０００３】
固体光源プロジェクタでは、投射映像の輝度を高めるために、発光素子からライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。【０００４】
また、非特許文献１に記載されているように、光源の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、光源の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、光源からの光が投射光として利用されない。【０００５】
そのため、発光素子からの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。【０００６】
そして、一般的なビジネスやホームシアター用途の固体光源プロジェクタでは、数千ルーメンクラスの光束を放射することが求められている。このため、固体光源プロジェクタでは、発光素子からの出射光の光利用効率の向上を図るとともに、高輝度かつ高指向性を実現することが必要不可欠になっている。【０００７】
光源の光利用効率の向上が図られた表示素子の一例としては、図１に示すように、光源１２０４から入射した光を選択的に遮断するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）シャッタ機構を有する空間光変調器、いわゆる表示素子が開示されている（特許文献１参照）。この表示素子は、光源１２０４と、光源１２０４からの光１２１４が入射する光キャビティ１２０２と、光キャビティ１２０２から入射した光１２１４を変調する光変調アレイ１２０６と、光変調アレイ１２０６を覆うカバープレート１２０７と、を備えて構成されている。【０００８】
光キャビティ１２０２は、光ガイド１２０８と、光ガイド１２０８にエアギャップ１２１３をあけて配置された基板１２１０とを有している。光ガイド１２０８には、光散乱要素１２０９を含む後部反射面１２１２が形成されている。光変調アレイ１２０６は、光キャビティ１２０２からの光が入射する光透過領域１２２２と、この光透過領域１２２２を開閉可能に設けられたシャッタ１１１０を有するＭＥＭＳシャッタ機構とを有している。カバープレート１２０７は、光変調アレイ１２０６の光透過領域１２２２を通過した光１２１４が通過する光透過領域１１１４を有している。この表示素子では、シャッタ１１１０で反射された光１２１４を光キャビティ１２０２に戻して多重反射させ、この光１２１４を再利用して光透過領域１２２２を通過させることで、光源１２０４の光利用効率の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００８−５３２０６９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ＰｈｌａｔＬｉｇｈｔＴＭ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｌａｔｔｉｃｅ  ＬＥＤｓ  ｆｏｒ  ＲＰＴＶ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｎｇｉｎｅｓ  Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｈｏｅｐｆｎｅｒ，  ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ３７，  １８０８  （２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように固体光源プロジェクタでは、ライトバルブから一定の出射角（例えば放射角±１５°）以上で出射された光は、投射光学系に入射されずに光損失となる。特許文献１の構成では、ライトバブルからの出射光の指向性が、照明光学系からライトバブルに入射する入射光の指向性に依存している。このため、特許文献１の構成では、光源として数千ルーメンクラスの光束を放射する発光素子を利用することで、高輝度を達成できるが、表示素子からの出射光の放射角を±１５°未満に狭めることが困難である。つまり、特許文献１に記載の表示素子は、出射光の指向性が乏しい問題がある。【００１２】
すなわち、上述した特許文献１に開示された構成では、一般的なプロジェクタに必要とされる、輝度と指向性を両立した表示素子を実現できなかった。【００１３】
本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決できる表示素子、表示器及び投射型表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するため、本発明に係る表示素子は、発光素子からの光の通過と遮断とを切り換える複数の光学シャッタ手段と、複数の光学シャッタ手段からの光を透過する基板とを有するライトバルブ部を備える。また、表示素子は、基板上に配置されライトバルブ部から入射した光によってプラズモン結合を生じさせるプラズモン結合部を備える。プラズモン結合部は、ライトバルブ部から入射する光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、キャリア生成層の上に積層されキャリア生成層を発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、プラズモン励起層の上に積層されプラズモン励起層によって生じた光または表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して出射する出射層と、を有する。プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。【００１５】
また、本発明に係る表示器は、本発明の表示素子と、少なくとも１つの発光素子と、を備える。【００１６】
また、本発明に係る投射型表示装置は、本発明の表示器と、表示器からの出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、輝度の向上と、出射光の指向性の向上を両立することができるので、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】特許文献１に記載の構成を説明するための断面図である。
【図２】第１の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。
【図３】第１の実施形態の表示素子を模式的に示す平面図である。
【図４】第１の実施形態の表示素子が有するプラズモン結合部を示す平面図である。
【図５】第１の実施形態の表示素子における光の振る舞いを説明するための断面図である。
【図６Ａ】第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｂ】第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｃ】第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｄ】第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｅ】第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】第２の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。
【図８】第３の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。
【図９Ａ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｂ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｃ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｄ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｅ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｆ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｇ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図９Ｈ】第３の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】第４の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。
【図１１】第５の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。
【図１２】第１の実施形態の表示素子の出射光における角度分布を示す図である。
【図１３】第２の実施形態の表示素子の出射光における角度分布を示す図である。
【図１４】実施形態の表示素子が適用される実施形態の固体光源プロジェクタを模式的に示す斜視図である。
【図１５】実施形態の表示素子が適用される他の実施形態の固体光源プロジェクタを模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図２に、本実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。なお、表示素子において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
【００２１】
図２に示すように、本実施形態の表示素子１は、発光素子２５からの光の通過と遮断とを切り換える複数の光学シャッタ手段としての複数のシャッタ機構１４と、複数のシャッタ機構１４からの光を透過する基板１６とを有するライトバルブ部１０を備えている。また、表示素子１は、ライトバルブ部１０から入射した光によってプラズモン結合を生じさせる複数のプラズモン結合部１１を備えている。
【００２２】
ライトバルブ部１０は、発光素子２５からの光が入射する導光体１２と、この導光体１２から光が出射される位置に配置された複数のシャッタ機構１４と、図３に示すように複数のプラズモン結合部１１が２次元に規則的に配列された基板１６とを有している。
【００２３】
導光体１２には、図２に示すように、プラズモン結合部１１側と反対側の底面に、マイクロプリズムや散乱体のような配光特性を制御する複数の構造体２４が配置されている。また、図示しないが、導光体１２は、上述の底面に光拡散板が設けられる構成や、内部に散乱体を分散させて配置する構成であってもよい。
【００２４】
また、導光体１２には、底面と対向する上面に、反射膜１３が設けられている。反射膜１３には、複数のプラズモン結合部１１に対向する位置に、導光体１２から光を透過させてプラズモン結合部１１に入射させる透過領域としての複数の開口１３ａが形成されている。反射膜１３としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材や、誘電体多層膜が用いられる。
【００２５】
シャッタ機構１４は、基板１６の、導光体１２に対向する底面に配置されている。シャッタ機構１４は、反射膜１３の開口１３ａを開閉可能に設けられたＭＥＭＳシャッタ１４ａと、ＭＥＭＳシャッタ１４ａを開閉動作させるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１４ｂとを有している。ＭＥＭＳシャッタ１４ａまたはＭＥＭＳシャッタ１４ａの導光体１２側の面は、反射率が比較的高い反射材料で構成されている。
【００２６】
基板１６には、導光体１２に設けられた反射膜１３の開口１３ａに対応する位置に、複数のプラズモン結合部１１が、画素を構成するようにマトリックス状に配列されている。同様に、複数のプラズモン結合部１１が構成する画素にそれぞれ対応して複数のシャッタ機構１４が配列されている。つまり、図２では、３つの画素を構成するプラズモン結合部１１を示している。図３では、９つの画素を構成するプラズモン結合部１１を示している。ここで、プラズモン結合部１１はシャッタ機構１４を覆うように配置されている。
【００２７】
図２に示すように、プラズモン結合部１１は、導光体１２から入射する光の一部によってキャリアが生成されるキャリア生成層１７と、このキャリア生成層１７上に積層され、キャリア生成層１７を発光素子２５の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層１９と、このプラズモン励起層１９上に積層され、プラズモン励起層１９から入射する光の波数ベクトルを変換して所定の出射角の光を出射する出射層としての波数ベクトル変換層２３と、を備えている。
【００２８】
また、このプラズモン結合部１１は、キャリア生成層１７とプラズモン励起層１９との間に挟まれて設けられた第１誘電体層１８と、プラズモン励起層１９と波数ベクトル変換層２３との間に挟まれて設けられ、第１誘電体層１８よりも誘電率が高い第２誘電体層２２と、を備えている。
【００２９】
本実施形態では、発光素子２５が、平板状の導光体１２の側面である光入射面１２ａに１つ配置されている。発光素子２５としては、例えば、キャリア生成層１７が吸収できる波長の光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等が用いられる。また、発光素子２５としては、キャリア生成層１７を励起可能な周波数で発光する素子が用いられる。発光素子２５からの出射光は、例えば紫外光や短波長の青色光等である。複数種類のキャリア生成層１７を備える場合は、それぞれ種類が異なるキャリア生成層１７を励起可能な周波数で発光する異なる種類の発光素子２５を複数個用いてもよい。発光素子２５は、導光体１２の光入射面１２ａから離されて配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体１２と光学的に接続される構成が採られてもよい。また、発光素子２５は、導光体１２の複数の側面に沿って複数配置されてもよく、導光体１２の、プラズモン結合部１１側と反対側の底面に沿って複数配置されてもよい。
【００３０】
実施形態では、導光体１２が平板状に形成されているが、導光体１２の形状は直方体に限定されるものではない。導光体１２は、例えば楔形等の他の形状でもよい。また、導光体１２には、光入射面１２ａと反射膜１３の開口１３ａを除く外周面の全面、または外周面の一部に反射膜が設けられていてもよい。反射膜１３としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材や、誘電体多層膜が用いられる。さらに、本実施形態では、導光体１２を備えて構成されるが、ライトバルブ部１０から導光体１２が省かれてもよく、例えば発光素子２５などの光源がシャッタ機構１４の基板１６と反対側（シャッタ機構１４の入射側）に配置された構成であってもよい。
【００３１】
キャリア生成層１７としては、例えば、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  ６Ｇ）やスルホローダミン（ｓｕｌｆｏｒｈｏｄａｍｉｎｅ  １０１）等の有機蛍光体や、ＣｄＳｅやＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット等の量子ドット蛍光体等の蛍光体や、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、蛍光体を用いる場合、キャリア生成層１７内には、発光波長が同一、または異なる複数の波長を蛍光する材料が混在されていてもよい。また、キャリア生成層１７の厚さは１μｍ以下が望ましい。
【００３２】
また、複数のプラズモン結合部１１がＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の画素に対応する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素毎にキャリア生成層１７は異なる材料で形成されていてもよい。また、複数のプラズモン結合部１１が単色の画素（例えばＲ）に対応する場合、画素毎のキャリア生成層１７は同一の材料で形成されてもよい。この場合、複数のプラズモン結合部１１が画素毎に分割されている必要はなく、一体に形成されていてもよい。
【００３３】
プラズモン励起層１９は、キャリア生成層１７単体を発光素子２５の光で励起したときに発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層１９は、キャリア生成層１７単体を発光素子２５の光で励起したときに発生する発光周波数において負の誘電率を有している。
【００３４】
プラズモン励起層１９の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層１９の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。また、プラズモン励起層１９の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。
【００３５】
また、複数のプラズモン結合部１１がＲ、Ｇ、Ｂの画素に対応する場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素毎にプラズモン励起層１９が異なる材料で形成されていてもよい。そのとき、プラズモン励起層１９は、Ｒに対応する画素が金またはそれを主成分とする合金、Ｇに対応する画素が金、銀のいずれかまたはそれらのいずれかを主成分とする合金、Ｂに対応する画素が銀またはそれを主成分とする合金によって構成されているのが好ましい。また、必要に応じて、プラズモン励起層１９、キャリア生成層１７は、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素において連続するように一体に形成されてもよい。また、複数のプラズモン結合部１１が単色の画素に対応する場合、画素毎のプラズモン励起層１９は同一の材料で形成されてもよい。
【００３６】
そして、本実施形態における表示素子１は、プラズモン励起層１９のキャリア生成層１７側に積層された第１誘電体層１８を含む構造全体と、基板１６とを含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層１９の波数ベクトル変換層２３側に積層された第２誘電体層２２を含む構造全体と、波数ベクトル変換層２３に接する媒質とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層１９のキャリア生成層１７側に積層された構造全体には、第１誘電体層１８、キャリア生成層１７、基板１６が含まれる。プラズモン励起層１９の波数ベクトル変換層２３側に積層された構造全体には、第２誘電体層２２、波数ベクトル変換層２３が含まれる。
【００３７】
つまり、第１の実施形態では、プラズモン励起層１９に対する、基板１６及びキャリア生成層１７、第１誘電体層１８を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１９に対する、第２誘電体層２２、波数ベクトル変換層２３と、波数ベクトル変換層２３に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。
【００３８】
詳細には、プラズモン励起層１９の入射側部分（キャリア生成層１７側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１９の出射側部分（波数ベクトル変換層２３側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されている。
【００３９】
ここで、第１誘電体層１８の複素誘電率をεｌ（λ０）とし、その実部をεｌｒ（λ０）、虚部をεｌｉ（λ０）とする。また、第２誘電体層２２の複素誘電率をεｈ（λ０）とし、その実部をεｈｒ（λ０）、虚部をεｈｉ（λ０）とすると、
１≦εｌｒ（λ０）＜εｈｒ（λ０）の関係を満たしている。なお、λ０は、誘電体層への入射光の真空中での波長である。
【００４０】
また、発光周波数における虚部εｌｉ（λ０）、及び虚部εｈｉ（λ０）は、可能な限り低い方が好ましく、プラズモン結合させ易くし、光損失を低減することができる。
【００４１】
また、第１誘電体層１８の実部εｌｒ（λ０）は、可能な限り低い方が好ましく、波数ベクトル変換層２３へ入射する光の角度を小さくできるので、表示素子１から効率良く出射光を取り出せる。また、第２誘電体層２２の実部εｈｒ（λ０）は、可能な限り高い方が好ましく、波数ベクトル変換層２３へ入射する光の角度を小さくできるので、表示素子１から効率良く出射光を取り出すことができる。以後、特に断らない限り誘電率とは発光周波数における複素実効誘電率の実部を指すこととする。
【００４２】
ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層１９の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１９の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層１７から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１９に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、、虚数単位をｊとすれば、
【００４３】
【数１】
2011142455.tif 000003
で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１９に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１９の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層１９と、プラズモン励起層１９に隣接する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層１９の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。
【００４４】
また、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層１９の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
【００４５】
【数２】
2011142455.tif 000004
【００４６】
【数３】
2011142455.tif 000005
で表される。
【００４７】
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１９の入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層１９の出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１９に対する入射側部分の複素実効誘電体層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率εeffを容易に求められる。
【００４８】
ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ−２となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄｅｆｆは、
【００４９】
【数４】
2011142455.tif 000006
で表わされる。
【００５０】
なお、キャリア生成層１７、プラズモン励起層１９を除き、導光体１２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層２３に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
【００５１】
プラズモン結合部１１の周囲の媒質、つまり導光体１２や波数ベクトル変換層２３に接する媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、導光体１２側と波数ベクトル変換層２３側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
【００５２】
第１誘電体層１８としては、例えば、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜を用いるのが好ましい。
【００５３】
第２誘電体層２２としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料を用いるのが好ましい。
【００５４】
図４に、プラズモン結合部１１が有する波数ベクトル変換層２３の平面図を示す。波数ベクトル変換層２３は、この波数ベクトル変換層２３に入射する入射光の波数ベクトルを変換することで、第２誘電体層２２から光を取り出し、表示素子１から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層２３は、第２誘電体層２２からの光の出射角を、所定の角度に変換して表示素子１から出射する。つまり、波数ベクトル変換層２３は、第２誘電体層２２との界面にほぼ直交するように、表示素子１から出射光を出射させる機能を奏している。
【００５５】
波数ベクトル変換層２３としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造またはそれらに欠陥を導入した構造、表示素子１からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造、例えば粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、準結晶構造を指し、結晶では許されない５回対称や１０回対称の特殊な秩序構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造及びそれらに欠陥を導入した構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、図４に示すような結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層２３としては、平板状の基部の上に、周期構造を構成する凸部や凹部が形成された構造であってもよい。
【００５６】
以上のように構成された表示素子１において、発光素子２５から導光体１２に入射した光が、プラズモン結合部１１の波数ベクトル変換層２３から出射される動作を説明する。図５に、表示素子１における光の振る舞いを説明するための断面図を示す。
【００５７】
図５に示すように、発光素子２５から出射された光は、導光体１２の光入射面１２ａを透過し、導光体１２内を全反射しながら伝播する。導光体１２内を伝播する光は、構造体２４に到達したときに、伝播する向きが構造体２４によって変えられ、反射膜１３の開口１３ａに入射する。このとき、シャッタ機構１４のＴＦＴ１４ｂがＯＮ状態の場合、ＭＥＭＳシャッタ１４ａが開口１３ａを開く位置に移動されており、開口１３ａを通過した光が、基板１６を通ってキャリア生成層１７に入射する。一方、ＴＦＴ１４ｂがＯＦＦ状態の場合に、ＭＥＭＳシャッタ１４ａによって遮られた光は、ＭＥＭＳシャッタ１４ａに反射されて導光体１２に戻され、再度、反射膜１３の開口１３ａを通過した光がプラズモン結合部１１に入射し、波数ベクトル変換層２３から出射される。これらの繰り返しによって、導光体１２に入射した光の大半が、画素を構成する所望のプラズモン結合部１１から出射される。
【００５８】
また、キャリア生成層１７に入射した光は、キャリア生成層１７においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、プラズモン励起層１９中の自由電子とプラズモン結合を起こす。このプラズモン結合を介して、第２誘電体層２２内への放射が起こり、その光が波数ベクトル変換層２３で回折されて、表示素子１の外方に出射される。プラズモン励起層１９と第２誘電体層２２との界面の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。最も強度が高い出射角を中心出射角、中心出射角から強度が半分になる出射角までの角度幅を出射角度幅とすると、第２誘電体層２２から出射する光の中心出射角と出射角度幅は、プラズモン励起層１９の誘電率及びプラズモン励起層１９を挟む前後の実効誘電率で決定される。
【００５９】
ここで、波数ベクトル変換層２３から出射する光の中心出射角θradは、波数ベクトル変換層２３の周期構造のピッチをΛ、プラズモン励起層１９の出射側部分（波数ベクトル変換層２３側）の複素実効誘電率をεeffout、周囲媒質の誘電率をεｍ、波数ベクトル変換層２３から出射する光の真空中での波長をλ０、とすれば、
【００６０】
【数５】
2011142455.tif 000007
で表わされる。ここで、i  は正または負の整数である。
【００６１】
つまり、キャリア生成層１７に入射した光の一部は、プラズモン結合部１１の特性で決まる方向に、表示素子１から出射される。表示素子１から出射される光の配光分布は、プラズモン結合部１１の特性によってのみ決まる方向に出射されるので、高い指向性が得られる。つまり、表示素子１からの出射光の配光分布は、発光素子２５の配光分布に依存しない。
【００６２】
図６Ａ〜図６Ｅに、表示素子１が備えるプラズモン結合部１１の製造工程を示す。これはあくまで一例であって、この作製方法に限定されるものではない。なお、プラズモン結合部１１が形成されるライトバルブ部１０としては、公知の透過型のライトバルブを利用するので、ライトバルブ部１０の製造工程についての説明を省略する。
【００６３】
まず、図６Ａに示すように、ライトバルブ部１０の基板１６上にレジスト膜２９を、スピンコート法を用いて塗布する。続いて、図６Ｂに示すように、電子線またはフォトリソグラフィー、インプリント技術等を用いて、導光体１２に設けられた反射膜１３の開口１３ａに対応する部分の、レジスト膜２９の一部を除去する。
【００６４】
次に、図６Ｃに示すように、基板１６上に、キャリア生成層１７をスピンコート法で塗布する。続いて、キャリア生成層１７の上に、第１誘電体層１８を形成し、この第１誘電体層１８の上に、例えば物理蒸着、電子線ビーム蒸着やスパッタ等によってプラズモン励起層１９を形成する。引き続き、プラズモン励起層１９の上に、第２誘電体層２２を形成する。
【００６５】
次に、キャリア生成層１７の上に、フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層２３を形成する。続いて、図６Ｄに示すように、波数ベクトル変換層２３の上にレジスト膜３２をスピンコート法で塗布し、電子線またはフォトリソグラフィー、インプリント技術等を用いて、上述の開口１３ａに対応するレジスト膜３２の部分にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。ドライエッチングによって、所望の深さまで波数ベクトル変換層２３をエッチングする。その後、図６Ｅに示すように、レジスト膜２９、及びレジスト膜２９上に形成されたプラズモン結合部１１を構成する各層を基板１６から剥離する。これによって、上述の開口１３ａに対応する、基板１６上の所定の位置に、プラズモン結合部１１が形成される。
【００６６】
上述したように第１の実施形態の表示素子１では、波数ベクトル変換層２３から出射する光の出射角が、プラズモン励起層１９を挟んでいる入射側部分の実効誘電率と、出射側部分の実効誘電率とによって決定される。このため、本実施形態の表示素子１によれば、表示素子１からの出射光の指向性が、発光素子２５の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の表示素子１は、放射過程においてプラズモン結合を応用することによって、表示素子１からの出射光の放射角を狭めて出射光の指向性を高めることができる。すなわち、本実施形態によれば、発光素子２５のエテンデューに依存することなく、表示素子１からの出射光のエテンデューを低減することができる。また、表示素子１からの出射光のエテンデューが、発光素子２５のエテンデューによって制限されないので、複数個の発光素子２５を備える場合には表示素子１からの出射光のエテンデューを小さく保ったままで、発光素子２５からの入射光を合成することができる。
【００６７】
以下、他の実施形態の表示素子を説明する。他の実施形態の表示素子は、第１の実施形態の表示素子と比べてプラズモン結合部あるいは構造の一部が異なっている。このため、他の実施形態の表示素子において、第１の実施形態の構成要素と同一の構成要素には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
（第２の実施形態）
図７に、第２の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第２の実施形態の表示素子は、第１の表示素子１と比べてプラズモン結合部の構成が異なっている。上述した第１の実施形態の表示素子１では、プラズモン励起層１９で生じた光を波数ベクトル変換層２３から出射する構成であった。一方、第２の実施形態は、プラズモン励起層によって生じた表面プラズモンを光として波数ベクトル変換層から出射する構成の点で異なり、プラズモン励起層の入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層の出射側部分の実効誘電率よりも高くされている。
【００６９】
図７に示すように、第２の実施形態の表示素子２が備えるプラズモン結合部２１は、ライトバルブ部１０の基板１６上に、キャリア生成層３２、プラズモン励起層１９、波数ベクトル変換層３３の順に積層されて構成されている。
【００７０】
プラズモン励起層１９とキャリア生成層３２の間に第２誘電体層が挿入されてもよく、プラズモン励起層１９と波数ベクトル変換層３３の間に第１誘電体層が挿入されてもよい。第２誘電体層の誘電率は第１誘電体層の誘電率よりも高く設定されている。また、第１誘電体層及び第２誘電体層の厚さは式（４）より求まる厚さより薄く設定する必要がある。
【００７１】
プラズモン励起層１９は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。本実施形態では、これら２つの層が、キャリア生成層３２と波数ベクトル変換層３３に対応している。そして、本実施形態の表示素子２は、プラズモン励起層１９に対する、基板１６及びキャリア生成層３２を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１９に対する、波数ベクトル変換層３３と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。
【００７２】
詳細には、プラズモン励起層１９の入射側部分（キャリア生成層３２側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１９の出射側部分（波数ベクトル変換層３３側）の複素実効誘電率の実部よりも高く設定されている。
【００７３】
なお、キャリア生成層３２、プラズモン励起層１９を除き、導光体１２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層３３に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、表面プラズモンを生じさせ易くし、光損失を低減することができる。
【００７４】
以上のように構成された表示素子２において、発光素子２５からプラズモン結合部２１に入射した光が、波数ベクトル変換層３３から出射される動作を説明する。
【００７５】
発光素子２５から出射された光は、第１の実施形態の表示素子１と同様に、ライトバルブ部１０を通過して、画素を構成する所望のプラズモン結合部２１に入射する。ライトバルブ部１０からキャリア生成層３２に入射した光は、キャリア生成層３２においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、プラズモン励起層１９中の自由電子とプラズモン結合を起こす。このプラズモン結合を介して、プラズモン励起層１９と波数ベクトル変換層３３との界面に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、波数ベクトル変換層３３で回折されて、表示素子２の外方に出射される。
【００７６】
プラズモン励起層１９と波数ベクトル変換層３３との界面の誘電率が面内で均一、つまり平坦な面である場合には、この界面に生じた表面プラズモンを取り出すことはできない。このため、本実施形態では、波数ベクトル変換層３３を備えることで、界面の誘電率が面内で変化するため、表面プラズモンが回折され、光として取り出される。波数ベクトル変換層３３の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。最も強度が高い出射角を中心出射角としたとき、波数ベクトル変換層３３から出射する光の中心出射角θradは、波数ベクトル変換層３３の周期構造のピッチをΛとすれば、
【００７７】
【数６】
2011142455.tif 000008
で表わされる。ここで、i  は正または負の整数である。プラズモン励起層１９と波数ベクトル変換層３３との界面には、式（３）より求まる波数近傍の波数しか存在しないので、式（６）より求まる出射光の角度分布も狭くなる。
【００７８】
以上のように構成された第２の実施形態の表示素子２においても、第１の実施形態と同様に、キャリア生成層３２に入射した光の一部は、プラズモン結合部２１の特性で決まる方向に、表示素子２から出射される。したがって、表示素子２から出射される光の配光分布は、プラズモン結合部２１の特性によってのみ決まる方向に出射されるので、高い指向性を得ることができる。さらに、第２の実施形態は、第１の実施形態よりも、層数が少なくなるので、製造工程の削減が可能である。
【００７９】
（第３の実施形態）
図８に、第３の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第３の実施形態の表示素子は、第１の実施形態の表示素子１と比べてプラズモン結合部の構成が異なっている。
【００８０】
図８に示すように、第３の実施形態の表示素子３が備えるプラズモン結合部３１は、ライトバルブ部１０の基板１６上に、ベース層２８、キャリア生成層３７、プラズモン励起層３９の順に積層されて構成されている。そして、第３の実施形態におけるプラズモン励起層３９は、上述した波数ベクトル変換層２３，３３の機能を奏する周期構造３９ａを有している。周期構造３９ａは、１次元または２次元の格子構造（凹凸構造）によって構成されている。また、ベース層２８及びキャリア生成層３７にも、プラズモン励起層３９の周期構造３９ａの形状に沿って周期構造が形成されている。
【００８１】
キャリア生成層３７に光が入射したとき、プラズモン励起層３９に接する媒質とプラズモン励起層３９との界面、及びキャリア生成層３７とプラズモン励起層３９との界面で表面プラズモンが発生する。この表面プラズモンは、以下に示す式（９）を満たす方向にプラズモン励起層３９から光として取り出すことができる。
【００８２】
詳細には、キャリア生成層３７から出射する光の真空中での角周波数をω、真空中での光速をｃ、プラズモン励起層３９の誘電率をεｍｅｔａｌ、キャリア生成層３７の誘電率をεｓｕｂ、プラズモン励起層３９に接する媒質の誘電率をεｍｅｄｉ、プラズモン励起層３９に接する媒質とプラズモン励起層３９との界面における表面プラズモンの波数ｋｓｐｐ，ｍｅｄｉ、キャリア生成層３７とプラズモン励起層３９との界面における表面プラズモンの波数ｋｓｐｐ，ｓｕｂ、プラズモン励起層３９の周期構造３９ａのｘ方向の波数ベクトルＫｘ、ｙ方向の波数ベクトルＫｙ、（但し、ｘｙ平面が基板１６に平行な面）とすれば、
【００８３】
【数７】
2011142455.tif 000009
【００８４】
【数８】
2011142455.tif 000010
【００８５】
【数９】
2011142455.tif 000011
【００８６】
【数１０】
2011142455.tif 000012
式（９）を満たす角度θの方向に、プラズモン励起層３９から光が出射される。ここで、ｍ、ｎは正または負の整数である。さらに、式（１０）を満たすとき、表示素子３からの出射光の強度が最も高くなる。
【００８７】
図９Ａ〜図９Ｈに、第３の実施形態の表示素子３が備えるプラズモン結合部の製造工程を示す。
【００８８】
まず、図９Ａに示すように、ライトバルブ部１０の基板１６上にレジスト膜３４を、スピンコート法を用いて塗布する。続いて、図９Ｂに示すように、電子線またはフォトリソグラフィー、インプリント技術等を用いて、導光体１２に設けられた反射膜１３の開口１３ａに対応する部分の、レジスト膜３４の一部を除去する。
【００８９】
次に、図９Ｃに示すように、スピンコート法、蒸着、スパッタ等の成膜技術を用いて、基板１６上に、ベース層２８、レジスト膜３５を成膜する。続いて、図９Ｄ及び図９Ｅに示すように、電子線またはフォトリソグラフィー、インプリント技術を用いて、レジスト膜３５上に所望のプラズモン励起層３９のパターンを描画し、ウェットまたはドライエッチングによって、ベース層２８にパターンを転写する。
【００９０】
次に、図９Ｆに示すようにベース層２８上からレジスト膜３５を除去し、ベース２８上に、スピンコート法、蒸着、スパッタ等の成膜技術を用いて、図９Ｇに示すようにキャリア生成層３７、プラズモン励起層３９の順に成膜する。最後に、図９Ｈに示すように、基板１６上から、レジスト膜３４と共にこのレジスト膜３４上に形成されたプラズモン結合部３１を構成する各層を基板１６から剥離する。これによって、上述の開口１３ａに対応する、基板１６上の所定の位置に、プラズモン結合部３１が形成される。なお、この製造方法は、一例であってこの製造工程に限定されるものではない。
【００９１】
以上のように構成された第３の実施形態によれば、第１、第２の実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。さらに、第３の実施形態は、第１、第２の実施形態よりも、層数が少なくなるので、製造工程の削減が可能である。
【００９２】
なお、上述した第１〜第３の実施形態では、シャッタ機構１４が、プラズモン結合部１１，２１，３１に対する入射側に配置される構成であったが、プラズモン結合部１１，２１，３１に対する出射側に配置される構成であってもよく、上述の実施形態と同様に表示素子からの出射光の指向性を高める効果が得られる。ただし、この構成の場合には、導光体１２からの光が一旦、プラズモン結合部に入射することで、シャッタ機構１４が閉じている画素において、光損失を招いてしまうので、上述した実施形態の構成が好ましい。
【００９３】
（第４の実施形態）
図１０に、第４の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第４の実施形態の表示素子は、ライトバルブ部が、発光素子からの光の通過と遮断とを切り換える複数の光学シャッタ手段としての複数の光学接続機構を備えている点が、上述した第１〜第３の実施形態と異なっている。なお、第４の実施形態におけるプラズモン結合部は、第２の実施形態におけるプラズモン結合部２１と同一であるので、説明を省略する。
【００９４】
図１０に示すように、第４の実施形態の表示素子４が備えるライトバルブ部４０は、発光素子２５からの光が入射する導光体４２と、この導光体４２から光が出射される位置に配置された光学接続機構４９と、複数のプラズモン結合部２１が配列された基板４６とを有している。
【００９５】
光学接続機構４９は、基板４６と導光体４２との間に所定の空間をあけるためのスペーサ４４と、基板４６に固定された接続部４５と、接続部４５を移動させるための一対の透明電極４３，４７と、を有している。光学接続機構４９としては、いわゆるＴＭＯＳ（Ｔｉｍｅ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｈｕｔｔｅｒ）が用いられている。
【００９６】
接続部４５は、プラズモン結合部２１の下に透明電極４７、基板４６を挟んで配置されており、２次元的な周期構造を有している。一方の透明電極４３は導光体４２上に設けられており、他方の透明電極４７は、基板４６上に設けられている。各プラズモン結合部２１に対応して設けられた透明電極４７は、基板４６上に一体に形成されている。また、本実施形態におけるプラズモン結合部２１は、基板４６上に設けられた透明電極４７の上に配置されている。
【００９７】
光学接続機構４９は、一対の透明電極４３，４７に電圧を印加することで、透明電極４３と透明電極４７との間に静電引力を発生させ、透明電極４７及び基板４６を変形させる。透明電極４７及び基板４６が変形することによって、発光素子２５からの光を基板４６に通過させる第１位置と、発光素子２５からの光を遮断する第２位置とに接続部４５が移動される。接続部４５が第１位置に移動されたとき、接続部４５が透明電極４３に当接される。これによって、基板４６上に配置された所望のプラズモン結合部２１と導光体４２とが光学的に接続される。
【００９８】
また、第４の実施形態の表示素子４では、プラズモン励起層１９のキャリア生成層３２側に積層された構造全体と、透明電極４７及び基板１６とを含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１９の波数ベクトル変換層３３側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層３３に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。
【００９９】
以上のように構成された第４の実施形態の表示素子４によれば、第２の実施形態と同様に表面プラズモンを利用し、上述した実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。
【０１００】
なお、第４の実施形態の表示素子４におけるプラズモン結合部には、上述した第１〜第３の実施形態におけるいずれのプラズモン結合部が用いられてもよい。
【０１０１】
（第５の実施形態）
図１１に、第５の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第５の実施形態は、ライトバルブ部として液晶板が用いられている点が異なっており、複数の光学シャッタ手段として液晶板が有する液晶分子が利用されている。また、第５の実施形態におけるプラズモン結合部は、第２の実施形態のプラズモン結合部２１と同一であるので、説明を省略する。
【０１０２】
図１１に示すように、第５の実施形態の表示素子７が備えるライトバルブ部７０は、液晶板が用いられており、配向膜７３，７６がそれぞれ形成された一対のガラス基板７２，７７と、ガラス基板７２，７７の配向膜７３，７６を対向させてガラス基板７２，７７の間に挟んで配置された液晶層７８と、ガラス基板７２，７７の間に配置されたスペーサ７４と、を備えている。液晶層７８は、プラズモン結合部２１が構成する画素に対応して配置された液晶分子７８ａを有している。液晶層７８は、スペーサ７４で囲まれた液晶分子７８ａによって構成された複数の画素がマトリックス状に配列されている。ここで、スペーサ７４は、可視光に対して不透明な材料で形成されていることが望ましい。
【０１０３】
本実施形態では、ライトバルブ部７０として液晶板を用いているので、液晶板を透過する光を偏光する偏光子層７６が、液晶板を構成するガラス基板７７と配向膜７５との間に挟み込んで配置されている。また、本実施形態では、複数の画素に対応する複数のプラズモン結合部２１が、ガラス基板７７上にわたって一体に形成されている。また、液晶板の入射側には、図示しない発光素子が配置されている。
【０１０４】
また、第５の実施形態の表示素子７では、プラズモン励起層１９に対する、ガラス基板７７及びキャリア生成層３２を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１９に対する、波数ベクトル変換層３３と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。
【０１０５】
以上のように構成された第５の実施形態の表示素子７によれば、ライトバルブ部７０として比較的安価な液晶板を用いることができるので、表示素子の製造コストを低減することができる。また、第５の実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。
【０１０６】
なお、第５の実施形態におけるプラズモン結合部としては、第１〜第３の実施形態のいずれのプラズモン結合部１１，２１，３１が用いられてもよい。また、必要に応じて、プラズモン結合部の出射側に、液晶板を含むライトバルブ部７０が配置される構成にされてもよい。
【０１０７】
また、図示しないが、上述した実施形態において、発光素子からの光を透過する透過型のライトバルブ部の出射側にプラズモン結合部を配置する構成では、上述した第１〜第３の実施形態におけるプラズモン結合部のいずれが用いられてもよい。
【０１０８】
（実施例１）
図１２に、第１の実施形態の表示素子１の出射光における角度分布を示す。図１２において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。
【０１０９】
基板１６としてＳｉＯ２、キャリア励起層１７としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を母材とする蛍光体、第１誘電体層１８としてポーラスＳｉＯ２、プラズモン励起層１９としてＡｇ、第２誘電体層２２としてＴｉＯ２、波数ベクトル変換層２３としてＴｉＯ２、をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、０．５ｍｍ、７０ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、１０μｍ、９５０ｎｍとした。また、キャリア生成層１７の発光波長を４６０ｎｍとして計算した。ここで、波数ベクトル変換層２３の周期構造のピッチ、デューティ比はそれぞれ、２８０ｎｍ、０．５に設定した。ここで、ポーラスＳｉＯ２の誘電率を１．１２とした。
【０１１０】
なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。表示素子１から出射した光の強度が半分になる角度の全幅を放射角とした場合、放射角は、波長４６０ｎｍの光それぞれに対して±２．０（ｄｅｇ）であった。また、図１２において、出射角が±５（ｄｅｇ）の範囲で強度がほぼ「０」になっている点が存在するが、計算精度上の都合によるものである。したがって、実際には、図１２中の点を結ぶ曲線を示す配光分布が得られる。ここで、周期構造のピッチを２８０ｎｍからずらした場合、ピークが２つに分裂した配光分布を得ることができる。
【０１１１】
したがって、実施形態の表示素子によれば、表示素子からの出射光の放射角の指向性を高め、かつ、波数ベクトル変換層２３の格子構造を適宜調整することで、放射角を±５度以下に狭めて指向性を更に高めることが可能になる。
【０１１２】
（実施例２）
図１３に、第２の実施形態の表示素子２の出射光における角度分布を示す。ここでは、プラズモン結合部１１に第１誘電体層１８及び第２誘電体層２２を挿入した構成について計算した。図１３において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。
【０１１３】
基板１６としてＳｉＯ２、キャリア励起層１７としてＰＶＡを母材とする蛍光体、第１誘電体層１８としてポーラスＳｉＯ２、プラズモン励起層１９としてＡｇ、第２誘電体層２２としてＡｌ２Ｏ３、波数ベクトル変換層２３としてＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、０．５ｍｍ、１００ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、１０ｎｍ、１００ｎｍとした。ここで、ポーラスＳｉＯ２の誘電率は１．１２とした。また、波数ベクトル変換層２３の周期構造の深さ、ピッチ、デューティ比をそれぞれ、１００ｎｍ、４２１ｎｍ、０．５に設定した。この条件下における出射光は、円環状ではなく、ガウス関数に近い配光分布を有しているが、ピッチを４２１ｎｍからずらすことでピークが分裂し、円環状の配向分布が得られる。実施例２では、プラズモン励起層１９を挟む第１誘電体層１８及び第２誘電体層２２を設けることにより、実施例１に比べて指向性が高い配光分布が得られた。
【０１１４】
実施例２において、プラズモン励起層１９の出射側部分及び入射側部分の実効誘電率は、式（１）よりそれぞれ、１．４８、２．５２となる。さらに、表面プラズモンの出射側及び入射側におけるｚ方向の波数の虚部は、式（２）よりそれぞれ、８．９６×１０６、１．７１×１０７となる。表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ−２となる距離とすれば、１／Ｉｍ（ｋｓｐｐ，ｚ）より、表面プラズモンの有効相互作用距離は、出射側及び入射側でそれぞれ、１１２ｎｍ、５８ｎｍとなる。
【０１１５】
なお、本実施形態の表示素子は、画像表示装置の表示素子として用いられるのに好適であり、投射型表示装置の表示素子や、携帯型電話機、ＰＤＡ（Personal  Data  Assistant）等の電子機器の表示素子、表示器として用いられてもよい。
【０１１６】
最後に、上述した第１〜第５の実施形態の表示素子が適用される投射型表示装置としての固体光源プロジェクタの構成例について、図面を参照して説明する。図１４に、実施形態の固体光源プロジェクタの模式的な斜視図を示す。
【０１１７】
図１４に示すように、実施形態の固体光源プロジェクタは、複数の発光素子２５ａ，２５ｂ，２５ｃと、発光素子２５ａ，２５ｂ，２５ｃから光がそれぞれ入射する赤（Ｒ）光用表示素子８ｒ、緑（Ｇ）光用表示素子８ｇ、及び青（Ｂ）光用表示素子８ｂと、を備えている。また、固体光源プロジェクタは、表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂによってそれぞれ変調されて入射されたＲ、Ｇ、Ｂ光を合成するクロスダイクロイックプリズム８２と、このクロスダイクロイックプリズム８２からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系８３と、を備えている。この固体光源プロジェクタは、いわゆる３板式プロジェクタに適用された構成である。
【０１１８】
また、上述した実施形態の表示素子は、図１５に示すような単板式プロジェクタにも適用可能である。図１５に、他の実施形態の固体光源プロジェクタの模式的な斜視図を示す。
【０１１９】
図１５に示すように、他の実施形態の固体光源プロジェクタは、複数の発光素子２５ｕと、発光素子２５ｕから光が入射する表示素子９と、表示素子９からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系８３と、を備えている。表示素子９のプラズマ結合部（不図示）は、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する画素毎に異なる材料で形成されたキャリア生成層（不図示）を有している。
【０１２０】
図１４及び図１５に示した本実施形態の固体光源プロジェクタによれば、上述した実施形態の表示素子が適用されることで、投射映像の輝度を向上することができる。
【０１２１】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細に対して、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
【０１２２】
この出願は、２０１０年５月１４日に出願された日本出願特願２０１０−１１２０７３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０１２３】
１  表示素子
１０  ライトバルブ部
１１  プラズモン結合部
１４  シャッタ機構
１６  基板
１７  キャリア生成層
１８  第２誘電体層
１９  プラズモン励起層
２２  第１誘電体層
２３  波数ベクトル変換層
２５  発光素子
【図１】
2011142455.tif 000016
【図２】
2011142455.tif 000017
【図３】
2011142455.tif 000018
【図４】
2011142455.tif 000019
【図５】
2011142455.tif 000020
【図６Ａ】
2011142455.tif 000021
【図６Ｂ】
2011142455.tif 000022
【図６Ｃ】
2011142455.tif 000023
【図６Ｄ】
2011142455.tif 000024
【図６Ｅ】
2011142455.tif 000025
【図７】
2011142455.tif 000026
【図８】
2011142455.tif 000027
【図９Ａ】
2011142455.tif 000028
【図９Ｂ】
2011142455.tif 000029
【図９Ｃ】
2011142455.tif 000030
【図９Ｄ】
2011142455.tif 000031
【図９Ｅ】
2011142455.tif 000032
【図９Ｆ】
2011142455.tif 000033
【図９Ｇ】
2011142455.tif 000034
【図９Ｈ】
2011142455.tif 000035
【図１０】
2011142455.tif 000036
【図１１】
2011142455.tif 000037
【図１２】
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【図１３】
2011142455.tif 000039
【図１４】
2011142455.tif 000040
【図１５】
2011142455.tif 000041
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月4日(2012.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
前記実効誘電率が、
前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布と、
前記入射側部分または前記出射側部分での前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布と、
に基づいて決定される、請求項４または６に記載の表示素子。
【国際調査報告】
2011142455.tif 000042
2011142455.tif 000043
2011142455.tif 000044
2011142455.tif 000045